Основные характеристики преобразователей

Как уже было отмечено выше, в качестве преобразователей в ТА применяют микрофон, включаемый на передающем конце телефонного тракта, и телефон или громкоговоритель – на приемном конце. Микрофон преобразует звуковую энергию, создаваемую голосом во время разговора, в электрическую энергию речевого сигнала, а телефон или громкоговоритель совершает обратное преобразование – речевой сигнал преобразуется в звуковые колебания. Громкоговорители предназначены для озвучения открытых пространств.

Качество работы преобразователей оценивают чувствительностью. Под чувствительностью микрофона Sм понимают отношение действующего значения ЭДС на его зажимах Ем (в вольтах) к величине звукового давления Р (в паскалях). Чувствительностью телефона Sт называют отношение величины звукового давления Р (в паскалях), развиваемого телефоном в камере искусственного уха, к величине действующего на его зажимах переменного напряжения Uт, приложенного к его зажимам (в вольтах). Чувствительность микрофона и телефона определяется из выражений

Sм = Ем/Рм и Sт = Рт/Uт.

Величина чувствительности преобразователей зависит от частоты. Эта зависимость S(f) называется частотной характеристикой чувствительности преобразователя. Эффективность работы преобразователя в рабочем диапазоне частот оценивается величиной его средней чувствительности:

(1.1)

Отклонение чувствительности преобразователя на разных частотах от его среднего значения приводит к частотным искажениям. Степень такого отклонения оценивается неравномерностью частотной характеристики чувствительности, определяемой в децибелах по формуле

(1.2)

где Smax, Smin – наибольшее и наименьшее значения чувствительности преобразователя в рабочем диапазоне частот .

Амплитудной характеристикой преобразователя называется зависимость сигнала на выходе (при постоянной частоте возбуждения) от сигнала на его входе. Линейный участок этой характеристики обычно ограничен величинами минимального и максимального значения сигналов на выходе преобразователя.

Преобразователи также характеризуются электроакустическим коэффициентом, под которым понимают отношение мощности сигнала на выходе к мощности его на входе.

По принципу работы преобразователи делятся на электродинамические, электромагнитные, пьезоэлектрические, конденсаторные, транзисторные, угольные, электретные и др. В телефонной связи наибольшее распространение получили угольные микрофоны и электромагнитные телефоны.

Угольный микрофон

Действие угольного микрофона основано на свойстве угольного порошка изменять свое сопротивление при изменении воздействующего на порошок давления. Под действи­ем звуковых волн мембрана 4 (рис. 3а, б) с закрепленным на ней подвижным электродом 3 приходит в колебательное движение и изменяет плотность угольного порошка 2. При уплотнении порош­ка сопротивление между подвижным 3 и неподвижным 1 электро­дами уменьшается, а при разрыхлении — увеличивается. Измене­ние сопротивления угольного порошка приводит к появлению пульсирующего тока. Постоянная составляющая этого тока I₀ яв­ляется током питания микрофона в состоянии покоя, а его пере­менная составляющая представляет собой разговорный ток. Если на угольный микрофон сопротивлением R_м воздействовать, напри­мер, синусоидальным звуковым колебанием Р(ω) с частотой ω, то мгновенное значение тока i в цепи сопротивления R_H (см. рис. 3б) можно определить из уравнения, которое после разложения в ряд (используется бином Ньютона) приводится к виду

где DR — амплитуда переменной составляющей сопротивления

микрофона; ; ; . Колебания тока с частотой со определяются выражением I_om sin ωt. Кроме основ­ных колебаний, как следует из анализа последующих слагаемых уравнения (1.3), возбуждаются еще колебания тока с частотами 2ω, 3ω, ... и монотонно убывающими амплитудами , , ..., обусловливающими гармонические искажения уголь­ного микрофона. Однако при небольшой интенсивности воздейст­вующих на микрофон звуковых колебаний коэффициент модуля­ции т обычно не превышает 0,2 (m ≤ 0,2) и паразитные колеба­ния не воспринимаются на слух, так как амплитуды колебаний с частотами 2ω, Зω, ... располагаются значительно ниже порога слышимости. Поэтому мгновенное значение тока можно определить из уравнения

(1.4)

Рис. 3. Угольный микрофон:

а — принцип устройства и схема включения; б — эскиз микрофона МК.-16; в — условное обозначение;

1 — неподвижный электрод; 2 — угольный порошок; 3 — подвижный электрод; 4— мембрана; 5 — корпус; 6 — ограничитель засыпки; 7 — изоляционная втулка.

В последнем выражении числитель имеет размерность напряже­ний: первое слагаемое — напряжение батареи, а второе слагаемое представляет собой ЭДС микрофона е_м, которую генерирует мик­рофон при его возбуждении. Эта ЭДС пропорциональна току пи­тания Iо и амплитуде переменной составляющей сопротивления DR микрофона. Величина DR зависит от величины сопротивления микрофона Rm: у высокоомных микрофонов она больше, у низкоомных - меньше.

Мощность, отдаваемую микрофоном как генератором согласо­ванной нагрузке (Rн = Rм) определим по формуле

(1.5)

где Е_Эфф=Е_м , а W₀ - мощность, потребляемая мик­рофоном от батареи. Учитывая, что величина W0 определяется нормированным значением тока питания микрофона I0 и что пре­вышение ее ведет к значительному увеличению собственных шумов микрофона, а повышение коэффициента модуляции свыше 0,2 не желательно, так как это ведет к значительным гармониче­ским искажениям, электрическая мощность W_э, отдаваемая угольным микрофоном в согласованную нагрузку, ограничена и составляет примерно 1 мВт. Поскольку средняя мощность звуко­вых колебаний, воздействующих на мембрану микрофона при разговоре, составляет W_3B ≈ 1 мкВт, то нетрудно убедиться, что угольный микрофон является усилителем мощности и его электро­акустический коэффициент составляет = W_э/W_3B = =1000.

Частотная характеристика чувствительности микрофона имеет неравномерный характер. Повышение чувствительности в области верхних частот разговорного спектра обусловлено резонансными явлениями, возникающими при совпадении частоты звуковых коле­баний с частотой собственных колебаний мембраны микрофона. Неравномерный характер частотной характеристики обусловлива­ет амплитудно-частотные искажения, которые воспринимаются на слух как искажения тембра голоса. Для борьбы с этими искаже­ниями используют резонансные свойства акустических объемов. Изменяя размеры и формы воздушных объемов, заключенных между корпусом микрофона и его частями, а также вводя новые резонансные объемы с помощью акустических перегородок, повышают чувстви­тельность микрофона в области частот раз­говорного спектра.

Для повышения качества телефонной передачи иногда применяют микрофоны других типов (обычно электромагнитные, реже магнитоэлектрические). Однако сред­няя чувствительность лучших таких преобразователей не превышает 0,001 В/Па, и при их использовании требуется последующее усиление [1].

Электромагнитный телефон

Электромагнитный телефон с простой магнитной системой (рис. 5) состоит из постоянного магнита 1, полюсных надставок 2, обмотки 3, мембраны 4, якоря 5 и стержня 6.

Рис. 4. Электромагнитный телефон с простой магнитной системой

Мембрана телефона изготовляется из магнитомягкого материала. Под воздействием постоянного магнита, создающего магнитный поток Ф , мембрана находится в притянутом состоянии и имеет перво­начальный прогиб δ. Когда в обмотку телефона поступает пере­менный ток, образуется переменный магнитный поток Ф~. Маг­нитные потоки Ф и Ф~ замыкаются через полюсные надставки, мембрану, воздушный зазор между мембраной и полюсными над­ставками и постоянный магнит. Мембрана, находящаяся под воз­действием суммарного магнитного потока, величина которого из­меняется, совершает колебательные движения. Если, например, по обмотке телефона пропустить переменный синусоидальный ток с частотой ω, то на мембрану будет действовать сила F, обуслов­ленная суммой магнитных потоков Ф +Ф~: , (1.6)

где k – коэффициент пропорциональности. Из этого выражения следует, что колебания мембраны телефона определяются воздей­ствием двух сил. Первая сила вызывает полез­ные колебания с частотой ω. Вторая сила F₂= также изменяется во времени, но вызывает колебания с удвоенной частотой 2ω, т. е. вносит частотные искажения. Из сравнения амп­литуд этих сил и следует, что если выполнить соот­ношение Ф >>Ф~ (в реальных телефонах Ф /Ф~>>1000), второй силой по сравнению с первой можно пренебречь и считать, что мембрана будет колебаться с частотой тока, проходящего по об­мотке телефона.

Частотная характеристика телефона из-за резонансных свойств его мембраны име­ет неравномерный характер. С целью уменьшения этой неравномерности в кон­струкцию телефонов вводят дополнитель­ные резонансные объемы, образуемые с по­мощью акустических перегородок. Распо­лагая частоты этих резонансов в спектре наименьшей чувствительности и вводя эле­менты акустического трения в области ча­стот, соответствующих резонансу его мем­браны, обеспечивают выравнивание частот­ной характеристики телефона.